申請(qǐng)日2015.07.08

　　公開(kāi)(公告)日2015.10.28

　　IPC分類號(hào)C02F9/14

　　摘要

　　本發(fā)明公開(kāi)了一種回收污水中氮磷提高微藻生物產(chǎn)能的裝置和方法，屬于污水生物處理技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括污水原水箱、生物除磷反應(yīng)器、含磷溶液容器、含氨氮溶液容器、微藻培養(yǎng)室和生物脫氮反應(yīng)器。本發(fā)明還提供了利用上述裝置回收污水中氮磷提高微藻生物產(chǎn)能的方法。該方法在通過(guò)生物除磷污泥、短程硝化污泥和厭氧氨氧化顆粒污泥的協(xié)同作用下，在滿足污水達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上回收污水中的氮磷，為微藻培養(yǎng)提供營(yíng)養(yǎng)均衡的培養(yǎng)基，進(jìn)而可以為微藻生物產(chǎn)能奠定基礎(chǔ)。本發(fā)明改變了傳統(tǒng)污水生物處理的思路，主要從回收利用污水中氮磷資源的角度提高污水處理過(guò)程的產(chǎn)能，同時(shí)還有利于減輕污水處理廠中靠厭氧處理產(chǎn)甲烷產(chǎn)能帶來(lái)的溫室效應(yīng)。

　　權(quán)利要求書

　　1.一種回收污水中氮磷提高微藻生物產(chǎn)能的裝置，其特征在于，它包括污水原水箱(1)、生物除磷反應(yīng)器(2)、含磷溶液容器(3)、含氨氮溶液容器(4)、微藻培養(yǎng)室(5)和生物脫氮反應(yīng)器(6);所述生物除磷反應(yīng)器(2)為具有pH實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(2.3)和由空壓機(jī)(2.2)、氣體流量計(jì)(2.9)和曝氣頭(2.10)組成的曝氣系統(tǒng)的敞口式SBR反應(yīng)器，其器壁上部設(shè)有帶有閥門(a)的含磷溶液排放管(2.6)，下部設(shè)有帶有閥門(b)的含氨氮溶液排放管(2.7);所述污水原水箱(1)通過(guò)蠕動(dòng)泵(2.1)經(jīng)生物除磷反應(yīng)器(2)底部的剩余污泥排放管(2.8)連接至生物除磷反應(yīng)器(2);所述含磷溶液容器(3)的一端通過(guò)含磷溶液排放管(2.6)連接至生物除磷反應(yīng)器(2)，另一端與蠕動(dòng)泵(3.1)的進(jìn)水口相連;所述含氨氮溶液容器(4)的一端通過(guò)含氨氮溶液排放管(2.7)與生物除磷反應(yīng)器(2)相連接，另一端與蠕動(dòng)泵(4.1)的進(jìn)水口相連，蠕動(dòng)泵(3.1)的出水口和蠕動(dòng)泵(4.1)的出水口匯合至同一管路中并連接至微藻培養(yǎng)室(5);所述含氨氮溶液容器(4)通過(guò)蠕動(dòng)泵(4.2)與生物脫氮反應(yīng)器(6)底部的放空管(6.1)相連;所述生物脫氮反應(yīng)器(6)為一密封型SBR反應(yīng)器，器壁上設(shè)有排水管(6.3)和若干取樣口(6.7)，底部的曝氣系統(tǒng)由微孔曝氣排(6.2)、空壓機(jī)和氣體流量計(jì)組成，頂部設(shè)有密封蓋(6.4)，電動(dòng)攪拌器(6.0)和集氣管(6.5)穿過(guò)密封蓋(6.4)進(jìn)入反應(yīng)器中，集氣管(6.5)另一端與集氣袋(6.6)相連接。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述污水原水箱(1)為一開(kāi)口箱體，底部設(shè)有放空管(1.1)，上部設(shè)有溢流管(1.2)。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述生物除磷反應(yīng)器(2)器壁上設(shè)有若干取樣口兼排泥口(2.5)，并通過(guò)電動(dòng)攪拌器(2.4)使得泥水混合均勻。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述pH實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(2.3)為pH計(jì)。

　　5.一種使用權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的裝置回收污水中氮磷提高微藻生物產(chǎn)能的方法，其特征在于，它包括以下步驟：

　　(1)首先取富含聚磷菌的活性污泥加入到生物除磷反應(yīng)器(2)中，同時(shí)將城市污水廠中的短程硝化污泥和富集厭氧氨氧化菌的顆粒污泥同時(shí)加入到生物脫氮反應(yīng)器(6)中;

　　(2)生物除磷反應(yīng)器(2)以間歇方式運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)序依次為：進(jìn)水、厭氧、沉淀、好氧、沉淀、排水、閑置;

　　a)進(jìn)水階段攪拌，進(jìn)水時(shí)間為10min，進(jìn)水體積為生物除磷反應(yīng)器(2)容積的50 %;

　　b)厭氧反應(yīng)45min，同時(shí)控制pH在7.0-7.5之間;

　　c)沉淀15min，排放含磷的上清液至含磷溶液容器(3);占進(jìn)水量的30%;

　　d)好氧180min，并將溶解氧控制在1.0-1.5mg/L;

　　e) 沉淀15min，排放剩余進(jìn)水量65-70%的含氨氮的上清液，其中30-40%排放至含氨氮溶液容器(4)，30-35%進(jìn)入生物脫氮反應(yīng)器(6)進(jìn)行短程硝化厭氧氨氧化反應(yīng);

　　(3)生物除磷反應(yīng)器(2)通過(guò)排放剩余污泥控制污泥齡為5d;

　　(4)將含磷溶液容器(3)和含氨氮溶液容器(4)中的溶液通過(guò)流量調(diào)節(jié)，配制N：P為8-50：1的營(yíng)養(yǎng)液并輸送至微藻培養(yǎng)室(5)，為微藻生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)均衡的培養(yǎng)基;

　　(5)將進(jìn)入生物脫氮反應(yīng)器(6)中的含氨氮水進(jìn)一步通過(guò)缺氧好氧交替運(yùn)行的方式實(shí)現(xiàn)污水中總氮去除;

　　(6)經(jīng)步驟(5)處理后的水經(jīng)生物脫氮反應(yīng)器(6)的排水管排出，排水體積為反應(yīng)器容積的50%。

　　6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的回收污水中氮磷提高微藻生物產(chǎn)能的方法，其特征在于，所述步驟(1)中生物除磷反應(yīng)器(2)投加活性污泥后，加活性污泥濃度為3500mg/L;生物脫氮反應(yīng)器(6)投加活性污泥后，活性污泥濃度為3000mg/L。

　　7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的回收污水中氮磷提高微藻生物產(chǎn)能的方法，其特征在于，所述步驟(5)中交替運(yùn)行方式為缺氧好氧間隔30min交替運(yùn)行6h，并將好氧段的溶解氧控制在0.4mg/L。

　　說(shuō)明書

　　一種回收污水中氮磷提高微藻生物產(chǎn)能的裝置和方法

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明涉及一種回收污水中氮磷提高微藻生物產(chǎn)能的裝置和方法，屬于污水生物處理技術(shù)領(lǐng)域。

　　背景技術(shù)

　　近十幾年來(lái)，隨著城市化和農(nóng)業(yè)化的快速擴(kuò)展，來(lái)自于生活污水、工業(yè)廢水和化肥等的含氮磷污染物不斷增加。在我國(guó)，氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素引起的環(huán)境和食品危害已經(jīng)十分普遍和非常嚴(yán)重，如我國(guó)水體中大部分江湖河海和局部的地下水都不同程度地受到氮磷及其化合物的污染，進(jìn)而使得水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象不斷加重。污水處理廠一般通過(guò)布置相關(guān)的物理和生物處理單元實(shí)現(xiàn)污水中有機(jī)碳、氮和磷的去除，滿足污水達(dá)標(biāo)排放的目的。然而，污水處理廠在運(yùn)行期間會(huì)浪費(fèi)大量的物質(zhì)和自然資源。例如，污水中含有的氮磷，在污水處理過(guò)程中會(huì)隨著出水和剩余污泥的排放而無(wú)法回收利用，因而造成自然資源的浪費(fèi)。磷是所有的生物體生長(zhǎng)必須的主要營(yíng)養(yǎng)元素，且磷礦石是磷肥產(chǎn)生的主要原料。然而，隨著人口的增加，磷稀缺是21世紀(jì)面臨的全球性挑戰(zhàn)，在發(fā)展中國(guó)家大量磷肥料的使用和對(duì)生物燃料的需求導(dǎo)致對(duì)磷的需求不斷增加。此外，農(nóng)作物和人們對(duì)磷的利用率僅有15–20%，剩余的磷主要分布在不同的污水中。因此，改變將污水僅僅認(rèn)為是一種污染源的看法，而將其作為一種能源，從污水中回收利用磷已經(jīng)成為解決水體富營(yíng)養(yǎng)化和自然資源中磷缺乏的重要途徑。污水處理廠中回收的含有氮和磷的污水可以淋洗液的方式作為植物肥料。而且，目前使用的污水處理設(shè)施都建立于20-30年之前，隨著污水排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，必然面臨系統(tǒng)的改造或者擴(kuò)張，這也為引進(jìn)回收資源等新技術(shù)提供了機(jī)會(huì)。但是，大多數(shù)最近開(kāi)發(fā)的涉及到污水中資源回收的處理流程都需要加入化學(xué)藥劑，比如說(shuō)通過(guò)鳥糞石沉淀回收磷等，這些化學(xué)藥劑的生產(chǎn)會(huì)對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響，進(jìn)而使得這種方法不可持續(xù)被應(yīng)用。此外，其他的資源回收技術(shù)例如超濾和反滲透等都屬于高能耗技術(shù)。

　　綠色微藻生物質(zhì)以及其胞內(nèi)儲(chǔ)存的混合物可以被用來(lái)提取生物燃料或者營(yíng)養(yǎng)物來(lái)源。和玉米或小麥等典型農(nóng)作物不同，微藻生物質(zhì)不會(huì)與食品加工產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，這也使得其可作為第三代生物燃料。傳統(tǒng)的生物燃料生產(chǎn)與作為生物燃料的微藻生物生產(chǎn)相比，具有較高的環(huán)境影響(碳足跡)，這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)生物燃料產(chǎn)生營(yíng)養(yǎng)物的過(guò)程中伴隨著大量溫室氣體釋放，且能耗和需水量大。因而，微藻生物作為生物燃料具有更好的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)污水處理廠大多依靠厭氧污水處理方法來(lái)提高污水處理過(guò)程的產(chǎn)能，該方法可以通過(guò)產(chǎn)甲烷實(shí)現(xiàn)70%的易生物降解的有機(jī)物的去除，出水中的氮和磷含量較高，可以用于低負(fù)荷的城市生活污水處理，出水中的營(yíng)養(yǎng)物可以被下游端的光合反應(yīng)器中的微藻吸收。然而，在大多數(shù)情況下，這些營(yíng)養(yǎng)物不能均衡的被微藻吸收，因此需要進(jìn)一步的處理。此外，厭氧處理過(guò)程中由于甲烷溶解在出水中會(huì)導(dǎo)致能量回收效率降低。研究表明，近40%的甲烷會(huì)在出水中損失，造成溫室效應(yīng)。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種回收污水中氮磷提高微藻生物產(chǎn)能的裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，將污水原水處理后的含磷溶液和含氨氮溶液的分級(jí)處理并再次通過(guò)流量調(diào)配制成符合微藻生物生長(zhǎng)的培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)液，實(shí)現(xiàn)了氮磷的再回收和利用，同時(shí)多余的水經(jīng)處理后完全符合國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。

　　本發(fā)明還提供了一種利用上述裝置回收污水中氮磷提高微藻生物產(chǎn)能的方法。該方法在通過(guò)生物除磷污泥、短程硝化污泥和厭氧氨氧化顆粒污泥的協(xié)同作用下，在滿足污水達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上回收污水中的氮磷，為微藻培養(yǎng)提供營(yíng)養(yǎng)均衡的培養(yǎng)基，進(jìn)而可以為微藻生物產(chǎn)能奠定基礎(chǔ)。本發(fā)明改變了傳統(tǒng)污水生物處理的思路，主要從回收利用污水中氮磷資源的角度提高污水處理過(guò)程的產(chǎn)能，同時(shí)還有利于減輕污水處理廠中靠厭氧處理產(chǎn)甲烷產(chǎn)能帶來(lái)的溫室效應(yīng)。

　　本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

　　一種回收污水中氮磷提高微藻生物產(chǎn)能的裝置，其特征在于，它包括污水原水箱(1)、生物除磷反應(yīng)器(2)、含磷溶液容器(3)、含氨氮溶液容器(4)、微藻培養(yǎng)室(5)和生物脫氮反應(yīng)器(6);所述生物除磷反應(yīng)器(2)為具有pH實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(2.3)和由空壓機(jī)(2.2)、氣體流量計(jì)(2.9)和曝氣頭(2.10)組成的曝氣系統(tǒng)的敞口式SBR反應(yīng)器，其器壁上部設(shè)有帶有閥門(a)的含磷溶液排放管(2.6)，下部設(shè)有帶有閥門(b)的含氨氮溶液排放管(2.7);所述污水原水箱(1)通過(guò)蠕動(dòng)泵(2.1)經(jīng)生物除磷反應(yīng)器(2)底部的剩余污泥排放管(2.8)連接至生物除磷反應(yīng)器(2);所述含磷溶液容器(3)的一端通過(guò)含磷溶液排放管(2.6)連接至生物除磷反應(yīng)器(2)，另一端與蠕動(dòng)泵(3.1)的進(jìn)水口相連;所述含氨氮溶液容器(4)的一端通過(guò)含氨氮溶液排放管(2.7)與生物除磷反應(yīng)器(2)相連接，另一端與蠕動(dòng)泵(4.1)的進(jìn)水口相連，蠕動(dòng)泵(3.1)的出水口和蠕動(dòng)泵(4.1)的出水口匯合至同一管路中并連接至微藻培養(yǎng)室(5);所述含氨氮溶液容器(4)通過(guò)蠕動(dòng)泵(4.2)與生物脫氮反應(yīng)器(6)底部的放空管(6.1)相連;所述生物脫氮反應(yīng)器(6)為一密封型SBR反應(yīng)器，器壁上設(shè)有排水管(6.3)和若干取樣口(6.7)，底部的曝氣系統(tǒng)由微孔曝氣排(6.2)、空壓機(jī)和氣體流量計(jì)組成，頂部設(shè)有密封蓋(6.4)，電動(dòng)攪拌器(6.0)和集氣管(6.5)穿過(guò)密封蓋(6.4)進(jìn)入反應(yīng)器中，集氣管(6.5)另一端與集氣袋(6.6)相連接。

　　所述污水原水箱(1)為一開(kāi)口箱體，底部設(shè)有放空管(1.1)，上部設(shè)有溢流管(1.2)。

　　所述生物除磷反應(yīng)器(2)器壁上設(shè)有若干取樣口兼排泥口(2.5)，并通過(guò)電動(dòng)攪拌器(2.4)使得泥水混合均勻。

　　所述pH實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(2.3)為pH計(jì)。

　　一種使用上述裝置回收污水中氮磷提高微藻生物產(chǎn)能的方法，其特征在于，它包括以下步驟：

　　(1)首先取富含聚磷菌的活性污泥加入到生物除磷反應(yīng)器(2)中，同時(shí)將城市污水廠中的短程硝化污泥和富集厭氧氨氧化菌的顆粒污泥同時(shí)加入到生物脫氮反應(yīng)器(6)中;

　　(2)生物除磷反應(yīng)器(2)以間歇方式運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)序依次為：進(jìn)水、厭氧、沉淀、好氧、沉淀、排水、閑置;

　　a)進(jìn)水階段攪拌，進(jìn)水時(shí)間為10min，進(jìn)水體積為生物除磷反應(yīng)器(2)容積的50 %;

　　b)厭氧反應(yīng)45min，同時(shí)控制pH在7.0-7.5之間;

　　c)沉淀15min，排放含磷的上清液至含磷溶液容器(3);占進(jìn)水量的30%;

　　d)好氧180min，并將溶解氧控制在1.0-1.5mg/L;

　　e) 沉淀15min，排放剩余進(jìn)水量65-70%的含氨氮的上清液，其中30-40%排放至含氨氮溶液容器(4)，30-35%進(jìn)入生物脫氮反應(yīng)器(6)進(jìn)行短程硝化厭氧氨氧化反應(yīng);

　　(3)生物除磷反應(yīng)器(2)通過(guò)排放剩余污泥控制污泥齡為5d;

　　(4)將含磷溶液容器(3)和含氨氮溶液容器(4)中的溶液通過(guò)流量調(diào)節(jié)，配制N：P為8-50：1的營(yíng)養(yǎng)液并輸送至微藻培養(yǎng)室(5)，為微藻生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)均衡的培養(yǎng)基;

　　(5)將進(jìn)入生物脫氮反應(yīng)器(6)中的含氨氮水進(jìn)一步通過(guò)缺氧好氧交替運(yùn)行的方式實(shí)現(xiàn)污水中總氮去除;

　　(6)經(jīng)步驟(5)處理后的水經(jīng)生物脫氮反應(yīng)器(6)的排水管排出，排水體積為反應(yīng)器容積的50%。

　　所述步驟(1)中生物除磷反應(yīng)器(2)投加活性污泥后，加活性污泥濃度為3500mg/L;生物脫氮反應(yīng)器(6)投加活性污泥后，活性污泥濃度為3000mg/L。

　　所述步驟(5)中交替運(yùn)行方式為缺氧好氧間隔30min交替運(yùn)行6h，并將好氧段的溶解氧控制在0.4mg/L。

　　本發(fā)明中污水除磷過(guò)程中回收氮磷方法的技術(shù)原理是：在厭氧條件下，聚磷菌(PAOs)消耗體內(nèi)的聚磷酸鹽和糖原，吸收污水中的易生物降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可儲(chǔ)存的有機(jī)物，同時(shí)釋放無(wú)機(jī)磷酸鹽產(chǎn)生含磷的水溶液。部分含磷溶液排放至含磷溶液容器后， PAOs在好氧階段以氧氣作為電子受體氧化體內(nèi)儲(chǔ)存的有機(jī)物，吸收水溶液中的無(wú)機(jī)磷同時(shí)恢復(fù)體內(nèi)糖原水平。與此同時(shí)，污水中的氮主要以氨氮形式存在，因?yàn)镻AOs的氧飽和系數(shù)低于硝化菌，則控制溶解氧在1.0-1.5mg/L范圍內(nèi)，抑制了硝化菌的生長(zhǎng)而對(duì)PAOs的活性基本無(wú)影響。氨好氧段的出水主要產(chǎn)生含氨氮溶液，一方面為微藻生長(zhǎng)提供易吸收轉(zhuǎn)化的氮素營(yíng)養(yǎng)，另一方面好氧段的氨氮不會(huì)浪費(fèi)厭氧段的有機(jī)物而導(dǎo)致釋磷降低。

　　與傳統(tǒng)污水生物脫氮除磷工藝相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　1、強(qiáng)化污水處理過(guò)程中的資源回收效率，逆向解決了氮磷污染導(dǎo)致的水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題;

　　2、磷和氨氮回收過(guò)程中避免了化學(xué)方法的使用，省去了Ca+和Mg2+等金屬離子的加入，減輕了環(huán)境污染。

　　3、生物除磷和脫氮的氧化過(guò)程中均采用低溶解氧，節(jié)約了曝氣量，降低了能耗。

　　4、短程硝化厭氧氨氧屬于自養(yǎng)脫氮，降低了污水處理過(guò)程中對(duì)碳源的需求。